石油钻采用吊卡锻件质量控制与工艺优化

张严敬 刘和庆 宋承军

（山东能源重装集团金源机械有限公司，山东 枣庄 277000）

BD 吊卡是油田石油钻采提升工具，工作时承受大的瞬时冲击力，对产品质量要求极为严格。石油吊卡材质主要是42CrMo。在生产过程中发现原锻打工艺有部分石油吊卡毛坯内部出现裂纹、外形尺寸加工量大等问题，每锻打200 件就出现涨模和裂纹情况，需要重新制模。随着环保治理要求越来越严，现在锻件市场持续升温，产品供不应求。公司分析原锻造工艺问题，充分利用与改造现有锻造设备，改进工艺工装，提高石油吊卡锻造质量，最大限度减少机械加工部位和加工余量。

1 石油吊卡锻件质量缺陷分析

公司对2018 年度生产1200 件石油吊卡进行了质量分析，共发现108 个有锻造缺陷，不合格品率为9%。原因分析：一是锻模模腔设计不合理，模具选用材质在高温重力作用下容易变形，出现锻件坯料流动性差缺肉、错移、加工量大；二是过烧现象时有发生，氧化皮较重且石油吊卡内部有裂纹现象；三是热处理工艺不规范，在热处理过程中产生变形甚至开裂；四是模具使用时的工作环境及工人的操作方式加速了模具的失效。以上因素导致产品合格品率、锻造效率和锻模使用寿命都较低。经过研究与实践，从制坯、锻模和热处理三大方面对石油吊卡进行工艺优化和质量控制，达到了满意的效果。

2 锻造设备选择和使用

公司对吊卡坯料采用750 kW 中频炉加热，加热节拍30 s/件。由于该加热方式加热均匀，加热速度快，温度可调可控，芯表温差极小，氧化少，避免坯料过烧。当坯料烧至高于锻打温度50 ℃时，由中频炉直接传送到自动传料装置上，然后经托辊输送线主动传输到2500 t 摩擦压力机上直接进行锻打，一次成型，不仅保证锻造精度，还提高了锻造效率和锻件产品的密实度。

3 模锻充填精确成型工艺

（1）上下模开坯精修

对石油吊卡结构进行工艺性修订（图1），确定重要的尺寸及加工余量，结构对称设计，采用过渡圆角与过渡圆锥减小组织应力。通过计算机三维建模，计算上、下模（图2、图3）模腔尺寸及配合间隙，调整锻件分模面的角度，消除分模面的落差，以达到平衡模锻过程中产生的水平错移力的目的，模拟锻模型腔数控编程进行开粗及型腔铣。上下模开粗后再进行数控铣精加工和滚压，保证了模腔表面粗糙度由Ra=3.2 μm 降低为 Ra=0.4 μm，并使模腔加工的磨削方向与金属流动方向保持一致，以提高锻件外观质量和锻模使用寿命。

锻打时进行坯料和锻模温度控制。石油吊卡坯料始锻温度控制到1150～1200 ℃，终锻温度控制到900 ℃，坯料在终锻模腔成型时，金属变形抗力小，氧化皮软且能脱离金属表面起润滑作用，从而有利于金属的充填成型。通过加热器对锻模上下模进行预热，预热温度达到250～350 ℃之间并保持恒温，以减少金属变形温度损失，便于金属流动和提高锻件质量、锻造效率和锻模使用寿命。

图1 石油吊卡三维模拟

图2 石油吊卡上模

图3 石油吊卡下模

（2）冲孔切边复合模热冲切工艺

设计制作冲孔切边复合模，该模具由外模和内模组成。外模的工作刃口是一个封闭的轮廓，与锻模下模分模面的轮廓相吻合。内模是模具工作过程中用以传递压力的零件，和锻模上模部分的轮廓相吻合。锻打出的石油吊卡利用630 t 压力机进行一体式冲孔切边，可以使石油吊卡的机械加工余量降至仅为锻件重量的1.8%左右，不仅有效控制尺寸偏差不产生变形，无微小裂纹，保证了吊卡前后左右尺寸的一致性，还极大节约了材料成本、加工成本。

4 热处理工艺优化

锻模上下模和复合模材质选用H13 模具钢。为解决模具制造工序及残余应力的影响，提高模具的使用寿命，获得热硬性和高的耐磨性，使用真空热处理炉进行热处理。上下模和复合模下料后先进行球化退火，预加热至650 ℃保温2.5 h 随炉冷却，以便在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时变形和开裂倾向小。粗加工后真空炉二次淬火处理，即在800～850 ℃进行一次预热保温4 h，1100 ℃二次预热保温4 h，在520 ℃回火保温8 h。该锻模经淬火—高温回火后，具有很高的强韧性、热疲劳性和抗热龟裂性，同时具有良好的抗氧化性和热稳定性，硬度检测达到HRC48-52。

锻打成型的石油吊卡则采用正火处理，即加热至850 ℃后保温3.5 h 空冷，最后经过喷丸强化。石油吊卡的使用可靠性、耐久性均获得明显的改善和提高，达到改善耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性的目的，实现表面消光、去氧化皮和消除锻件残余应力的品质保证。

5 结语

石油吊卡是油田钻采的关键零件，公司通过优化工艺，在BD76、BD92 等锻件产品上应用新工装模具，均获得了外部加工量控制在5 mm 的优质毛坯件，提高了锻造效率和锻打成型质量。下料重量由原来的55 kg/件降低到50 kg/件，自动加热坯料加热均匀，芯表温差极小，延长了锻模的使用寿命，生产效率高，氧化少，锻模结构简单，操作安全可靠，所生产的产品质量优于国内同行业。